0
ANKARA ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJESİ
KESİN RAPORU
Proje Başlığı: Alternatif Ve Çevre Dostu Soğutma Sistemleri Proje Yürütücüsünün İsmi: Prof. Dr. Yalçın ELERMAN
Yardımcı Araştırmacıların İsmi: Oğuz BAŞER Proje Numarası: 10Ö4343003
Başlama Tarihi: 29 Haziran 2010 Bitiş Tarihi: 29 Haziran 2011
Rapor Tarihi: 22 ağustos 2011
Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri
Ankara - " 2011 "
1 I. Projenin Türkçe ve İngilizce Adı ve Özetleri
Projenin Türkçe Adı: Alternatif Ve Çevre Dostu Soğutma Sistemleri
Projenin İngilizce Adı: Alternative And Environment-Friendly Cooling Systems Projenin Türkçe Özeti:
A. Gerekçe:
Modern toplumların temel ihtiyaçlarından birisi de soğutma teknolojisidir. Günümüzde soğutma:
savunma sanayi, ev, büro, süpermarket ve çeşitli araçların soğutma teknolojisinden hastanelere kadar çok geniş bir alanda farklı sebeplerden ötürü kullanılmaktadır. Günümüzde kullanılan ve teknolojik devinimini tamamlamış olan gaz sıkıştırmalı soğutucular, çevreye ciddi zararlar vermektedirler ve istenilen ihtiyacı artık karşılayamamaktadır. Bu sebeple gaz sıkıştırma teknolojisini kullanan soğutma sistemleri, yerini alternatif ve çevre dostu soğutma sistemlerine bırakacaktır.
Bugünün ve yarının en büyük sorunu küresel ısınmadır. Küresel ısınmaya karşı alınabilecek bireysel önlemlere karşın, kitlesel önlemler çok daha etkili olacaktır. Günümüz gaz sıkıştırmalı soğutma teknolojilerinde kullanılan gazlar, küresel ısınma potansiyeli açısından çok yüksek değerlere sahiptirler ve bu değerler ozon tabakasının incelmesinde önemli rol oynamaktadırlar. Günümüz gaz sıkıştırmalı soğutma teknolojisinde kullanılan hidroklorokarbon(HFC), ozon tabakasına zarar veren HCFC(hidro kloro floro karbon)’ un yerine kullanılmaktadır ve HFC(hidro kloro karbon) sera etkisi sorumluluğunun %12’sini taşımaktadır. Ayrıca hidroklorokarbon (HFC), CO2‘ye göre 1000 ile 3000 kat Küresel Isınma Potansiyeli(GWP)’ne sahiptir. Pazarda giderek artan bir paya sahip olup, CFC (kloroflorokarbon), HCFC (hidrokloroflorokarbon)’ den daha yıkıcı etkilere sahiptir.
Hidroklorokarbon (HFC) emisyonunun %100 artması durumunda dünyanın sıcaklığı 4 °C artacaktır.
Bu ise çevre açısından oldukça olumsuz etkilere neden olacaktır.
Dünya'nın güneş etrafındaki yörüngesindeki değişiklikler, son 650,000 yılda Dünya'da meydana gelen sıcaklık değişikliğinin temel nedeni olmuştur. 20'nci yüzyılın başlarına kadar, sıcaklığın güneş, Dünya'nın yörüngesi ve volkanik faaliyetlerle bağlantılı modelleri birbirleriyle uyumluydu. Ancak son 50 yılda görülen ısınmayı bu modeller açıklayamamaktadır. Atmosferdeki CO2 miktarının arttığı artık kesin olarak kanıtlanmış bir gerçektir. İnsan faaliyetlerine ilişkin tarihi kayıtlara bakarak bunun insan faaliyetleriyle bağlantılı olduğu anlayabiliriz.
Son 650.000 yıldır atmosferdeki CO2 konsantrasyonlarının doğal aralığı milyonda 180 ile 300 parça (ppm) olmuştur. Şekil 1 1950 yılına kadar olan atmosferdeki CO2 miktarını göstermektedir. Bu şekilden de görüldüğü gibi, atmosferdeki CO2 miktarı 300 ppm'yi aşmamıştır. Fakat bu değer son
2 yıllarda 300 ppm’i aşmış bulunmaktadır.
Şekil 1. Antartika’daki buzullardan elde edilen son bin yıldaki atmosferdeki CO2
miktarı.
B. Amaç:
Bu proje ile çevreye zarar vermeyen, küresel ısınmaya katkısı oldukça düşük ve yukarıda saydığımız zararları içermeyen bir soğutucu tasarlanmıştır. Günümüz soğutucularına kıyasla oldukça ciddi faydalar sağlayan manyetik soğutucu, geleceğin soğutma teknolojisi olarak görülmektedir. Yeni soğutucu arayışı içerisinde olan birçok alanda, saygın bir konumda bulunmak ve gerekli tecrübeyi edinerek çalışmalara ivme kazandırmak ilk hedefimiz olmuştur.
C. Materyal:
Projede kullanılan malzemeler;
- Kalıcı mıknatıs(1T gücünde) - Manyetik Soğutucu Malzemesi: Gd - Kaydırıcı sistemler, raylar ve motorlar - Step Sürücü
3 - Isıl çiftler ve Isı ölçüm sistemi - Alüminyum destekler
- AMR yatağı: Cam silindir - Frekans ve Hız Kontrol Sistemi Şeklindedir.
D. Yöntem:
Manyetik soğutma, manyetokalorik etkiye dayanmaktadır. Manyetokalorik etki, artan veya azalan bir manyetik alan altında malzemenin entropisindeki değişimdir. Manyetokalorik etkide, manyetik alanın içine giren bir manyetik malzeme (Gd) ısınmakta, manyetik alan uzaklaştırıldığında ise soğumaktadır. Manyetokalorik malzeme (Gd) motorlar ve Yataklama ekipmanları ile manyetik alana sokulur. Manyetik alan içinde iken malzeme, mıknatıslanma nedeni ile oluşan ısıyı almaktadır.
Malzeme manyetik alan dışına çıkarıldığında ise, ortamdan ısıyı almaktadır.
Projenin İngilizce Özeti:
A. Reason
One of the needs of modern society is refrigerating technology. Today, refrigerators are using for different areas such as defence industry, houses, offices, supermarkets, different vehicles refrigerating systems to hospitals for different reasons. Gas compress refrigerators which is using in this days, has completed their technical devolutions and because of their environmental harm, they cannot fulfil our needs. There for, the gas compress refrigerators are giving a place for alternative and environmental friendly refrigerators.
Todays and tomorrows biggest problem is global warming, massive precautions against global warming would be more effective than personal precautions. The gases which use for gas compress refrigerators has important rates for global warming potential and this rates has big role at diminution of ozonosphere. The HFC gas that has been using for gas compress refrigerator systems. In today HFC is using instead of HCFC that is harmful for ozonosphere, and HCF cause %12 of greenhouse effect. Also, HFC has 1000 to 3000 times global warming potential against CO2. İt is getting more places at market but CFC has more destructive effects tan HCFC. In case of CFC %100 resorb, the earth’s temperature increases 4C. And this would have many negative affects on environment.
Changes of earth’s orbits in solar system have been the basic reason of degree changes in the
4
earth for last 650,000 years. Until the early 20th century; the temperature modals had been compatible with sun, earth’s orbit, and volcanicity. However; last 50 years high temperatures cannot be explain whit this models. Reasing amount of CO2 in the atmosphere is a proven truth. We can prove that this is connected to human activities according to historical records of humans.
In last 650,000 years, the amount of CO2 in the atmosphere has been between 180 to 300 ppm. In Fig. 1, it shows the amount of CO2 till 1950. As you can see, it had not been upper than 300ppm. But in last years, this fate has been about 300 ppm.
Fig. 1. Antarctic glaciers, the amount of CO2 in the atmosphere from the last thousand years.
B. Aim:
With this project, a refrigerator that environment friendly, has a low global warming potential and has not got any harms that we say earlier, had been designed. Magnetic refrigerator which has huge benefits against today’s refrigerators is seeing as futures technology.
Our first goal has been in a respectable position in many areas that have been researching for new refrigerators to accelerate our works by getting necessary experience.
5 C. Materials:
Equipments used in this project are as follows;
- Permanent magnet (1T)
- Magnetic refrigerator stuff; Gd - Moving systems; tracks and motors - Stepper driver
- Thermocouples and temperature measurement systems - Aluminium supports
- AMR bed: glass cylinder
- Frequency and speed control system D. Method:
Magnetic refrigerator is based on magnetocaloric effect. Magnetocaloric effect is the change of materials entropy which is in a decreasing or increasing magnetic field. In magnetocaloric effect, a materiel (Gd) when comes in magnetic field is warming and when goes from magnetic field is cooling.
Magnetocaloric materiel (Gd) is put in magnetic field with motors and guiding equipments. The material takes temperature of magnetization when it is in the magnetic area. When it comes out from magnetic area, it takes temperature of environment.
II. Amaç ve Kapsam
Günümüzde, pek çok konuda çevre dostu ve ekonomik teknolojilerin önemi günden güne giderek artmaktadır. Çevre dostu ve ekonomi teknolojilerin giderek önem kazanması, toplumdaki çevre bilincinin giderek artmasına ve kullanılan sistemlerin verimliliğine bağlıdır.
Mevcut soğutma teknolojisi, buhar sıkıştırmalı kompresör teknolojisine dayanmaktadır. Bu teknolojide kullanılan gazlar, küresel ısınma potansiyeli yüksek ve çevreye önemli zararlar verebilmektedir. Bu geleneksel soğutma teknolojilerine, alternatif olacak teknolojiler ise aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır:
• Gereksinim duyduğu enerjiyi, güvenli, güvenilir, ekonomik, verimli ve çevreye duyarlı teknolojilerle üretmek ve kullanmak; aynı zamanda uluslararası enerji pazarlarında yarışabilecek enerji teknolojileri geliştirerek uluslar arası enerji pazarında ülke olarak aktif rol
6 almak.
• Sürdürülebilir kalkınmasını çevreyi koruyarak sağlayan, temiz üretim teknolojisiyle enerji üreten ve kullanan,
• Her türlü konutta ve sanayi alanında çevreyi koruma ilkeleri kapsamında çalışabilen,
• Enerji teknolojilerinde yetkinlik kazanmak,
• Çevre teknolojilerinde yetkinlik kazanmak,
• İnsanımızın yaşam kalitesinin artırılması,
• Toplumsal yarar sağlanabilecek ve bu teknolojiyle gelecek nesillere temiz bir gelecek vaat eden bir sistem tasarlamak.
Tasarlanan Manyetik soğutucunun, Kullanılan gaz sıkıştırmalı soğutucuya göre çevreye zarar vermemesi ve oldukça verimli çalışması, bu soğutma teknolojisinin birçok alanda kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Son yıllarda artan küresel ısınma potansiyeli ve getirisi olan birçok olumsuz sonuç tehlikeli boyutlara ulaşmıştır. Bu sorunlar evlerde ve sanayide kullanılabilecek manyetik soğutucu ile ciddi boyutta azalacaktır. Oldukça geniş bir kullanım alanı olan manyetik soğutucu, öncelikli olarak savunma sanayi, elektronik sistemler, arabalar, mobil soğutma kabinleri ve evlerde kullanılabilecektir.
III. Materyal ve Yöntem Materyal:
Projede kullanılan ekipmanlar, çalışma planı iş paketlerine ve teslimat sürelerine uygun olarak uygun olarak sırayla alınmış ve projede kullanılmıştır. Kullanılan ekipman listesi, çalışma planı - iş paketleri ve son aşamadaki iş paketi 3 ve iş paketi 4’ün ayrıntılı tablosu aşağıda verilmiştir:
Ekipman listesi:
- Kalıcı mıknatıs(1T gücünde) - Manyetik Soğutucu Malzeme: Gd - Kaydırıcı sistemler, raylar ve motorlar - Step Sürücü
- Isıl çiftler ve Isı ölçüm sistemi - Alüminyum destekler
7 - AMR yatağı: Cam silindir
- Frekans ve Hız Kontrol Sistemi Şeklindedir.
Çalışma Planı İş Paketleri:
Proje, yapılacak işler açısından iş paketlerine ayrılmıştır ve her bir iş paketi proje başlangıcından itibaren 3 aylık bir zaman dilimini kapsamaktadır. Çizelge 1’de iş paketleri ayrıntılı bir şekilde tanımlanmıştır:
Çizelge 1. Çalışma Planı-İş Paketleri.
İş Paketi 1 İş Paketi 2 İş Paketi 3 İş Paketi 4 0-3 Ay
4 6 Ay 7-9 Ay 10-12 Ay
İş Paketi 1:
Mevcut manyetik soğutma sistemlerinin araştırılması ve yapılması düşünülen sistemin mevcut laboratuar olanakları, altyapı ve bütçe olanakları açısından belirlenmesi. Sistemin tasarlanması, kullanılacak manyetik soğutucu malzemenin belirlenmesi, mıknatısın ve özelliklerinin belirlenmesi, AMR tanımlanması, Sistemle ilgili teknik çizimler, kullanılacak olan pompaların, ısı dönüştürücülerinin, kaydırıcı sistemlerin, rayların, motorların, sıcaklık ölçüm sistemlerinin belirlenmesi ve AMR yatağının tasarımı.
İş Paketi 2:
Malzemelerin temini, siparişlerin verilmesi, manyetik soğutucu malzeme ile AMR yatağının yapılması gerekliyse yapılması ya da tasarlanıp yaptırılması, Manyetik soğutucu malzemenin şeklinin ve özelliklerinin belirlenmesi ve satın alımı, Mıknatısın tasarlanması ve temin edilmesi
İş Paketi 3:
8
Malzemelerin bir araya getirilmesi, Sistemin montajı, AMR yapılması, ısıölçerlerin, pompa ve motorların, kaydırıcı sistemlerin montajı ve ara bağlantılarının yapılması, ilk testlerin yapımına başlanması,
İş Paketi 4:
İlk testlerin analizlerinin yapılması, sistemden elde edilen manyetokalorik etkiye dayanan manyetik soğutmanın gerçekleştirilmesi. İş Paketi 3 ve İş Paketi 4’ün ayrıntılı içeriği Çizelge 2’de verilmiştir.
Çizelge 2. İş Paketi 3 ve İş Paketi 4’ün ayrıntıları.
Manyetik Soğutucu İş Planı 3 ve İş Planı 4 İş Planı 3 Isıl çiftlerin
kalibrasyonu, Isıl çiftlerin fiziksel testleri
Araştırma için Ostim’e gidilmesi
AMR yapımı için cam yaptırılması
Mıknatıs’ın fiziksel testleri, displacer sistemi araştırması
İş Planı 3 Displacer ile ilgili işlem er
Mıknatıs’ın sisteme monte edilmesi
Mıknatıs hareketinin sağlanması
Isıl çiftlerin cam içine yerleştirilmesi
İş Planı 3 Displacer’ın sisteme monte edilmesi
Amr yatağının Sisteme monte edilmesi
Kablolama işlemleri
AMRve Mıknatıs’ın uygun frekansta hareket ettirilmesi
İş Planı 4 AMR yatağının içinin su ile doldurulması
AMR yatağı ve Displ cer arasındaki bağlantılar
Kablolama işlemleri
Eksikliklerin giderilmesi
İş Planı 4 Sistemin genel kalibrasyonu
İlk testlerin başlangıcı
İlk ölçümlerin alınması
Yöntem:
Manyetik soğutucunun çalışma prensibi manyetik malzemelerin doğal bir özellik olarak gösterdiği manyetokalorik (MKE) etkiye dayanmaktadır. Son yıllarda MKE ile ilgili bilimsel makaleler oldukça fazla yayınlanmıştır (Şekil 2).
Manyetokalorik etki, artan veya azalan bir manyetik alan altında malzemenin entropisindeki değişimdir. Manyetokalorik etki Şekil 3’de şematik olarak açıklanmıştır. Manyetik bir malzemenin toplam entropisi ısısal ve manyetik entropilerin toplamı ile verilir. Manyetik momentler manyetik alanın sıfır (B=0) olduğu durumda rastgele dağıldıklarından manyetik entropi yüksektir. Malzeme manyetik alan altına konulduğunda manyetik momentlerin manyetik alan yönünde düzenlenmesi nedeniyle manyetik entropi azalır. Termodinamikte entropi korunan bir büyüklük olduğundan manyetik entropideki azalma enerji transferi olarak ısısal entropinin artmasına ve bu da malzemenin
9 ısınmasına yol açar.
Ayrıca çalışma prensibi şematik olarak Şekil 4’de gösterilen bir manyetik soğutucu da, manyetokalorik malzemenin manyetik alana girip çıkmasıyla soğutma ve ısıtma işlemi gerçekleştirecek ve uygun şekilde yapılacak ısı transfer kontrolü ile de soğutma döngüsü tamamlanacaktır.
Şekil 2. MKE ile ilgili makalelerin yıllara göre dağılımı.
Şekil 3. Manyetokalorik etkinin fiziksel açıklanması.
10
Şekil 4. Manyetik soğutmanın çalışma prensibi.
Bir manyetik soğutucu ana hatları ile üç kısımdan oluşmaktadır:
a. Mıknatıs:
Manyetokalorik etkinin gözlenebilmesi için gerekli olan manyetik alan kalıcı bir mıknatıs yardımı ile sağlanır. Burada kalıcı mıknatıs kullanılmasının başlıca nedeni elektromıknatısların yüksek akım ve buna bağlı olarak ortaya çıkan yüksek ısı nedeniyle su soğutmasına ihtiyaç duymalarıdır.
Ayrıca elektromıknatısın çalışması için gerekli olan enerji tüm sistemin verimliliğini azaltır. Kalıcı mıknatıs olarak Nd-Fe-B tabanlı mıknatıslar oluşturdukları yüksek manyetik alanlar nedeniyle tercih edilmektedir. Mıknatısa ait teknik çizim Şekil 5’de verilmiştir.
Şekil 5. Mıknatısa ait teknik çizim.
11 b. Manyetokalorik Malzeme-MKM:
Manyetik Soğutmada manyetokalorik etkiyi kullanabilmek için, manyetik malzemelerin uygun özelliklere sahip olması gerekmektedir. Yani, manyetokalorik malzemeler şu özelliklere sahip olmalıdır:
- Manyetokalorik malzemeler, faz geçişi sırasında büyük sıcaklık farkına sahip olmalıdır - Manyetokalorik malzemeler içindeki manyetik iyon yoğunluğu büyük olmalıdır.
- Manyetik entropi SM=Rln(2J+1) olduğu için, manyetokalorik malzemeler içindeki manyetik iyonların toplam açısal momentum kuantum sayıları ve Lande g faktörleri büyük olmalıdır.
- Manyetokalorik malzemelerin Debye sıcaklığı yüksek olmalıdır.
- Manyetokalorik malzemelerin, manyetik entropi değişimi sıcaklıkla sabit olmalıdır.
- Manyetokalorik malzemelerin, ısısal ve manyetik histerisisi olmamalıdır.
- Manyetokalorik malzemelerin, ısı sığası küçük olmalıdır.
- Manyetokalorik malzemeler, kolay üretilebilir ve işlenebilir olmalıdır.
- Eddy akımları kayıplarını önlemek için manyetokalorik malzemelerin elekriksel direnci büyük olmalıdır.
- Hızlı ısı değişiminin olması için manyetokalorik malzemelerin büyük ısısal iletkenlikleri olmalıdır.
Saf Gadolinyum elementi-Gd, manyetik soğutucuda manyetokalorik malzeme için ideal malzeme olarak görülmektedir. Bunun sebebi, Gd’un oda sıcaklığında yüksek entropi değişimi ve adyabatik sıcaklık değişimi gösteriyor olmasıdır. Ayrıca Gd’un avantajı, basit fizik yasaları ile tanımlanabilen fiziksel özelliklere sahip olmasıdır. Yani Gd’un mıknatıslanması Brillouin fonksiyonu ve ısı sığası Debye fonksiyonu ile tanımlanabilmektedir. Bu durum, Gd’un yüksek çözünürlükte manyeto-termodinamik özelliklerinin nümerik hesabının kolaylıkla yapılmasına olanak sağlamaktadır.
Gd elementi oda sıcaklığı civarında Curie sıcaklığına (TC=294 K) sahiptir. Şekil 6’da Gd elementinin manyetik ölçümler ve ısı sığasından elde edilmiş sıcaklığa ve manyetik alana bağlı manyetik entropi değişim-∆SM grafiği gözükmektedir. Bu grafikten de görüldüğü gibi Gd elementinin 1 Tesla’lık manyetik alan altındaki ∆SM değeri yaklaşık 0.46 J/mol.K (=2.92 J/kg.K)’dir. Şekil 7’de Gd elementinin adyabatik sıcaklık değişim değeri-∆Tad sıcaklığa ve manyetik alana bağlı değişimi görülmektedir. Gd elementinin 1 Tesla’lık manyetik alan değişimi altındaki manyetokalorik etki parametresi ∆Tad 3.8 K değerine eşittir. Çizelge 3’de Gd elementinin manyetik ve manyetokalorik
12
özellikleri verilmiştir. Projede kullanılan 2 mm çapındaki Gd küreler Şekil 8’de görülmektedir.
Çizelge 3. Gd elementinin manyetik ve manyetokalorik özellikleri.
MKM TC
(K)
∆SM
(J/kg.K)
∆Tad
(K)
RCP (J/kg)
q (J/kg)
Gd
294 2.9 3.8 96 82Şekil 6. Gd elementinin sıcaklığa ve manyetik alana bağlı ∆SM eğrileri. Semboller manyetik ölçümlerden çizgiler ise ısı sığasından hesaplanmıştır.
(a) (b)
Şekil 6: (a) Gd elementinin sıcaklığa ve manyetik alana bağlı ∆Tad eğrileri. (b) Gd elementinin T=TC
sıcaklığındaki ∆Tad eğrisi.
13
Şekil 8. 2 mm çaplı Gd küreler.
c. Aktif Manyetik Rejeneratör-AMR:
Isı transferini sağlayan sıvı ile beraber manyetokalorik malzemenin içinde bulunduğu soğutma ve ısıtma işleminin gerçekleştiği kapalı sistemdir. AMR sistemleri kullanım amacı ve şartlarına göre farklı geometrilerde ve farklı malzemelerden yapılabilir. Manyetokalorik malzemenin AMR’nin içinde bulunduğu bölgeye ise manyetokalorik malzeme yatağı denir. Kullanılan AMR yatağına ait teknik çizim Şekil 9’da gösterilmiştir.
Şekil 9. Manyetik malzeme yatağı(AMR) yatağı.
14
Şekil 10. AMR sisteminin üç boyutlu görünümü.
Bu kısımlardan oluşan bir manyetik soğutucunun dört aşamalı soğutma döngüsü mıknatısın hareketli olduğu durum için Şekil 11’da şematik olarak verilmiştir. AMR yatağının dayanıklılığını arttırmak, içindeki sıvının hareket etmemesi gibi sebeplerden dolayı mıknatısın hareket etmesi tercih edilir. Mıknatısın sabit olup AMR’nin hareket ettiği durum Şekil 12’de gösterilmiştir. AMR sisteminin hareket ettiği durumda mıknatıs sabit kalırken AMR sistemi mıknatısın içine sokup çıkarılır.
Başlangıç aşamasında yani Şekil 11 (a)’da manyetokalorik malzeme yatağı ve ısı değiş tokuş sıvısının sıcaklığı aynıdır. Şekil 11 (a)’daki kırmızı çizgi bölgedeki sıcaklık gradyentini göstermektedir. Ayrıca başlangıç durumunda manyetokalorik malzeme manyetik alan altındadır. Manyetik soğutma döngüsünün dört aşaması ayrıntılı bir şekilde aşağıda açıklanmaktadır:
- Demanyetizasyon aşaması (Şekil 11 (b)):
Bu aşamada manyetokalorik malzeme üzerindeki manyetik alan mıknatısın veya AMR sisteminin hareketiyle kaldırılır. Manyetik alandan çıkan manyetokalorik malzemenin sıcaklığı manyetokalorik etkiden dolayı başlangıç sıcaklığına göre azalır. Böylece manyetokalorik malzeme yatağındaki değiş-tokuş sıvısının da sıcaklığı azalır. Manyetokalorik malzeme yatağının dışında kalan bölgedeki ısı değiş-tokuş sıvısının sıcaklığında bir değişim olmaz. Burada kırmızı çizgi her bir bölgedeki sıcaklık gradyentini göstermektedir.
- Sıcak Uçtan Soğuk Uca Sıvı Akış aşaması (Şekil 11 (c)):
15
Bu aşamada sıcak uç tarafındaki ısı değiş-tokuş sıvısı sağ taraftaki pistonun sola doğru hareketiyle manyetokalorik malzeme üzerine doğru hareket ettirilmektedir. Böylece soğuk ucun sıcaklığı başlangıç durumuna göre daha aşağı sıcaklıklara gelmektedir. Bu aşamadaki sıcaklık gradyentini kırmızı çizgi gösterirken kesikli çizgi bir önceki aşamadaki sıcaklık gradyentini göstermektedir.
- Manyetizasyon aşaması (Şekil 11 (d)):
Bu aşamada pistonlar hareketsiz kalırken manyetik alan kaynağı mıknatıs hareket ettirilerek manyetokalorik malzeme üzerinde manyetik alan oluşturulmaktadır. Böylece manyetokalorik etki nedeniyle manyetokalorik malzemenin sıcaklığı artmaktadır. Dolayısıyla manyetokalorik malzeme yatağındaki ısı değiş-tokuş sıvısının sıcaklığı artmaktadır. Soğuk uçtaki ısı değiş-tokuş sıvısının sıcaklığı ise önceki aşamadaki sıcaklığı ile aynı kalmaktadır.
- Soğuk Uçtan Sıcak Uca Sıvı Akış aşaması (Şekil 11 (e)):
Son aşamada soğuk uçtaki pistonun sağa doğru hareket etmesiyle soğuk uçtaki alçak sıcaklıktaki ısı değiş-tokuş sıvısı manyetokalorik malzeme üzerine doğru hareket etmektedir. Böylece manyetokalorik malzemenin sıcaklığı azalırken sıcak uçtaki ısı değiş-tokuş sıvısının sıcaklığı başlangıçtaki (Şekil 11 (a)) değerinden daha yukarıdaki bir sıcaklığa artmaktadır.
16
Şekil 11. Tasarlanacak piston motorlu manyetik soğutucunun AMR yatağının çalışma prensibi. Kırmızı çizgi o aşamadaki sıcaklık gradyentini gösterirken, kesikli çizgi bir önceki aşamadaki sıcaklık
gradyentini göstermektedir. Ayrıca ısı değiş-tokuş sıvısının sıcaklık değişimi farklı renklerle gösterilmiştir. Burada mıknatısın hareket ettiği durum göz önüne alınmıştır.
17
Şekil 12. Tasarlanacak piston motorlu manyetik soğutucunun AMR yatağının çalışma prensibi. Kırmızı çizgi o aşamadaki sıcaklık gradyentini gösterirken, kesikli çizgi bir önceki aşamadaki sıcaklık
gradyentini göstermektedir. Ayrıca ısı değiş-tokuş sıvısının sıcaklık değişimi farklı renklerle gösterilmiştir. Burada AMR yatağının hareket ettiği durum göz önüne alınmıştır.
18
Yukarıda açıklanan dört aşama bir soğutma döngüsünü oluşturmaktadır. Bu soğutma döngüsünün tekrarlanması ile sıcak uç ile soğuk uç arasındaki sıcaklık farkı:
∆Tspan= Tsıcak - Tsoğuk
giderek artmakta ve belli bir N döngü sayısından sonra maksimum değere ulaşmaktadır. Şekil 13’de döngü sayısı N= 1, 50, 100 ve 250 için manyetokalorik malzeme yatağındaki sıcaklık farkları verilmektedir.
Şekil 13. Manyetokalorik malzeme yatağındaki ısı değiş-tokuş sıvısının AMR sistemi boyunca farklı konumlardaki sıcaklık değerlerinin döngü sayısı ile değişimi.
IV. Analiz ve Bulgular:
“III. Materyal ve Yöntem “ kısmında anlatılan ekipmanlar ve yöntemler kullanılarak manyetik soğutucu prototipi yapılmış ve test edilmiştir. Manyetik soğutucu sisteminin çalıştırılmasıyla sıcak ve soğuk uçları AMR yatağında iki uçunda yaratılmıştır. İlk çevrimlerde belirgin sıcaklık düşüşleri ve artışları olmamakla birlikte, çevrim sayısı arttıkça sıcak uç ve soğuk uç sıcaklık değerlerinin artışı ve düşüşü gözlemlenmiştir. Sıcak uçtaki sıcaklık artışının ve soğuk uçtaki sıcaklık düşüşünün, sistemin yaptığı çevrim sayısı ile doğrudan ilişkisi olduğu kanıtlanmıştır. Ayrıca sıcaklık değişiminin doğrudan
19
ve dolaylı olarak etkilendiği parametrelerde belirlenmiştir. Bunlar:
A. Çalışma Sıvısı:
Sistemin ısı değiş-tokuşunu sağlayan sıvıdır. Bu sıvı, AMR yatağı içerisinde, mıknatısın oluşturduğu manyetik alan etkisiyle gözlenen manyetokalorik etkiden dolayı oluşan ısıyı, manyetik soğutucu malzeme (Gd) üzerinden alır. Böylece sıcak uç ve soğuk uç’ta sıcaklık değişimleri gözlenir.
Bu projede çalışma sıvısı olarak “damıtılmış su”yun kullanılabileceği belirlenmiş ve kullanılmıştır.
B. Manyetizasyon ve Demanyetizasyon Süreleri:
Manyetokalorik etkinin maksimum değerlerde gözlenebilmesi için, manyetizasyon ve demanyetizasyon için gerekli süre oldukça önemlidir. Soğutucu malzeme (Gd)’nin oda sıcaklığında manyetokalorik etkiyi en ideal şartlarda göstermesi, sistemin verimliliğini olumlu yönde etkileyecek ve gözlenen sıcak uç-soğuk uç değerleri farkını maksimuma çıkartacaktır. Bu projede Frekans ve hız kontrol sistemi ile motorlara uygun komutlar gönderilmiş, manyetizasyon-demanyetizasyon için ideal süre 1 saniye olarak belirlenmiştir.
C. Sıvı Akışı İçin Gerekli Zaman:
Manyetik soğutucu malzeme (Gd), manyetik alan altında manyetokalorik etki sebebiyle ısınır.
Soğutucu malzeme üzerinden bu ısıyı almak için, malzeme üzerinden çalışma sıvısı geçirilir. Çalışma sıvısı için gerekli zaman, sıvının malzemeyle yaptığı ısı alışverişini etkilediğinden, bu parametre özenle belirlenmelidir. En ideal sıcaklık farkını elde edebilmek adına sıvı akışı için gerekli zaman bu projede 4.0-5.0 saniye aralığında ayarlanmış ve kullanılmıştır.
D. Çevrim sayısı:
Manyetik alan altında ısınan manyetokalorik malzeme üzerinden çalışma sıvısı geçirilerek elde edilen sıcaklık farkı, çevrim sayısı ile doğrudan orantılıdır. Çevrim sayısı arttıkça, sıcak uç ve soğuk uç arasındaki sıcaklık farkı artış gösterir(Grafik 2). Bu projede 50 çevrime kadar sistemin sıcaklık değişimi not edilmiş ve bulgular kısmında belirtilmiştir.
E. Sıvı akış hızı:
Manyetik malzeme üzerinden geçirilen çalışma sıvısı, malzeme ile etkileşim sonucunda ısıyı alır. Çalışma sıvısının akış hızına bağlı olarak, malzeme üzerinden alınan ısının değeride değişmektedir. Malzeme üzerinden geçirilen çalışma sıvısı çok hızlı olursa yeterli ısı aktarımı olmayacağı gibi, çok yavaş geçirilirse de çevrim sayısı artar ve elde edilecek sıcaklık farkı azalabilir.
Bu projede sıvı akış hızı olarak 1.0 x 10-6 – 5.0 x 10-6 m3 ayarlanmıştır.
F. Manyetik alan:
Manyetik soğutma, manyetokalorik etkiye dayanmaktadır. Manyetokalorik etkinin çeşitli
20
manyetik alanlarda farklı değerlerde olduğu gözlemlenmiştir. Proje bütçesi ve mıknatısın elde edilebilirliği göz önüne alınarak bu projede 1.0 Tesla gücünde kalıcı mıknatıs kullanılmıştır.
Kalıcı mıknatıs olarak kare şeklinde olan NdFeB tabanlı bir mıknatıs satın alınmıştır.
MKM’nin mıknatıs içine girdiğinde tüm malzemenin aynı manyetik alan şiddetini görmesi manyetik soğutucunun verimli çalışması için önemli bir parametredir. Bu nedenle mıknatısın içinde oluşturduğu manyetik alan şiddetinin homojenliği bir Gauss metre yardımıyla ile test edilmiştir. Ölçülen manyetik alan şiddeti, şekil 17’da gösterilmiştir.
G. Başlangıç sıcaklığı:
Başlangıç sıcaklığı, sistemin henüz çalıştırılmadan önce manyetik malzeme ve çalışma sıvısının bulunduğu AMR yatağının sıcaklığıdır. Bu sıcaklık, sistem çalışırken gerekli olan manyetokalorik etkiyi en iyi şekilde görebilmek için Gd elementinin curie sıcaklığına göre belirlenmiştir ve projede 25 °C olarak belirlenmiştir.
H. Manyetik malzeme miktarı:
Manyetik malzeme olarak kollanılan Gd kürelerin miktarı, Manyetokalorik etki ile ortaya çıkan ısı miktarını doğrudan etkilemektedir. Kullanılan malzeme miktarı arttıkça, gözlemlenen sıcaklık farkı artmaktadır. Projede AMR içerisinde 60 g Gd küre kullanılmıştır.
İ. Manyetik malzemenin paketlenme oranı:
Malzemenin AMR içerisindeki paketlenme oranı, malzeme üzerinden geçecek su miktarının, malzeme üzerinden alınacak ısı miktarıyla oranını belirlemek için kullanılır. Projede manyetik malzeme paketleme oranı %55 olarak alınmıştır.
J. AMR yatağının hacmi:
AMR yatağının içerisinde manyetik malzeme ve çalışma sıvısı bulunur. Manyetik malzeme üzerinden geçecek toplam çalışma sıvısı, manyetik malzeme miktarıyla orantılı olmalıdır. Bu oranı sağlamak adına AMR yatağının hacmi önceden belirlenebilir. Bu projede AMR yatağının hacmi 5.0 – 10 mL arasında ayarlanmıştır.
Belirlenen bu parametreler Çizelge 4’de verilmiştir. Manyetik soğutucu çalıştırıldığında AMR’nin sıcak ve soğuk uçlarında oluşan sıcaklıkların çevrim sayısına göre değişimi Şekil 13’de görülmektedir. Sistemde sıcak uç ile soğuk uç arasında yaklaşık 4 °C’lik sıcaklık farkı elde edilmiştir.
Şekil 14’de P. Clot e arkadaşlarının yaptığı benzer bir manyetik soğutucuda elde ettikleri sıcaklıklar görülmektedir. Bizim sistemimiz literatürdeki sistemleri gibi ısıtma ve soğutma yapmaktadır.
21 Çizelge 4. Sıcaklık değişimini etkileyen parametreler.
Parametre Değer
Çalışma Sıvısı Damıtılmış su
Manyetizasyon ve Demanyetizasyon Süresi
1.0 saniye
Sıvı akışı için gerekli zaman 4.0 - 5.0 saniye
Çevrim sayısı 50
Sıvı akış hızı 1.0 x 10-6 – 5.0 x 10-6
m3
Manyetik alan 1.0 Tesla (Merkezde)
Başlangıç sıcaklığı 25 °C
Manyetik malzeme miktarı 60 g
Manyetik malzemenin paketlenme oranı
% 55
AMR yatağının hacmi 5.0 – 10 mL
22
Şekil 14. Çevrim sayısı (N) ile sıcaklık değişimi.
23
Şekil 15. P. Clot ve arkadaşlarının yaptığı çalışmada AMR’nin iki ucundaki sıcaklık değişimi.
Aşağıdaki şekillerde yaptığımız sistemin ve parçalarının resimleri görülmektedir.
Şekil 16. Projede kullanılan mıknatısın fotoğrafı.
Şekil 17. Mıknatısın eksenlere göre 3-Boyutlu manyetik alan değişimi.
24
Şekil 18. Sistemin farklı açılardan fotoğrafları.
25
Şekil 19. Sistemin farklı açılardan fotoğrafları.
26 V. Sonuç ve Öneriler
Proje kapsamında üretilen manyetik soğutucu prototipi Türkiye’ de üretilen ilk manyetik soğutucu prototipi olup, birçok açıdan dünya literatüründeki benzerleri kadar iyi sonuç vermektedir.
Yapılan çeşitli ölçümler ile parametreler optimize edilmiştir ve sistemin kararlı çalışması sağlanmıştır.
Böylece sistemin devamlılığı sağlanmıştır. Literatürdeki diğer benzer sistemlerle (T. Kawanami ve P.
Clot gibi) karşılaştırıldığında, bizim sistemin kararlı bir yapıya ve bazı avantajlara sahip olduğu görülmektedir. Bu artılar:
- Sistemin enerji verimliliğinin yüksek, enerji ihtiyacının daha az olması,
- Sistemin boyut olarak daha küçük ve daha kompakt bir şekilde tasarlanmış olması, - Sistemin daha kararlı sonuçlar vermesi,
- Sistemin maliyetinin düşük olması,
- Sistemin daha kısa sürede tasarlanıp imal edilmesi olarak sıralanabilir.
Bu sistem üzerinde gerçekleştirilecek daha detaylı çalışmalar ile soğuk uç ile sıcak uç arasındaki sıcaklık farkını arttırmak mümkün olabilir. Bunun için örneğin daha geniş bir AMR yatağı kullanılarak daha fazla Gd kullanılabilir. Bunun yanında daha küçük motorlar ve raylar ile sistem boyutları küçültülebilir. Ayrıca uygun mıknatıs tasarımları ile de sistem boyutlarını küçültmek mümkün olabilir.
VI. Kaynaklar
[1] Tsuyoshi KAWANAMI, Heat Transfer Characteristics and Cooling Performance of an Active Magnetic Regenerator (2007)
[2] A.M. Tishin, J. Alloys and Compounds 250 (1997) 635.
[3] Project of Development on Room Temperature Magnetic Refrigerator in Japan 2010 [4] M.P. Annaorazov, et al. , J. Alloys Compounds 397 (2005) 26.
[5] [6] V.K. Pecharsky, et al. , Phys. Rev. B 64 (2001) 144406.
[7] V.K. Pecharsky, et al. ,J. Of Appl. Phys. 86 (1999) 565.
[8] K.Engelbrecht ,Min Liu-Two-dimension Porous Medium Model for Reciprocating Active Magnetic Regenerator (2010)
27
[9] X. Zhou et al. , J. Phys.: Condens. Matter 16(2004) L39 – L44.
[10] An Experimental Study of Passive Regenerator Geometries [11] Xuezhi Zhou et al. , J. Magn. Magn. Mater. 305 (2006) 372.
[12] F.Albertini et al. , J. Magn. Magn. Mater. 272 – 276, (2004) 2111.
[13] F. – X. Hu et al. , Phys. Rev. B 64 (2001) 132412.
[14] Y.Sutou et al. , Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 4358.
[15] T. Krenke et al. , Phys. Rev. B 73 (2006) 174413.
[16] M.K. Chattopadhyay et al. , Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 022503.
[17] A.K. Pathak et al. , Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 262504.
[18] X.Moya et al. , Phys. Rev. B 75 (2007) 184412.
[19] K.Koyama et al. , Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 132505.
[20] P.J. Brown et al. , J. Phys.: Condens Matter 18 (2006) 2249.
[21] D.H. Wang et al. , J. Appl. Phys. 102 (2007) 013909.
[22] Z.D. Han et al. , Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 042507.
[23] V.Khovaylo et al. , Mater Sci. Eng. A 481 – 482 (2008) 322.
[24] T.Krenker et al. , Nature Materials 4 (2005) 450.
[25] H.C. Xuan et al. , Solid State Commun. 142 (2007) 591.
[26] M. Khan et al. , J. Appl. Phys. 101 (2007) 053919.
[27] A.L. Lima Sharma et al. , Appl. Phys. Lett. 93 (2008) 261910.
[28] J.D. Zou et al. , Europhys. Lett. 81 (2008) 47002.
[29] L.Jia et al. , Appl. Phys. 101 (2007) 106108.
[30] A.Fujita et al. , Phys. Rev. B 67 (2003) 104416.
[31] V.K Sharma et al. , Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 222509.
[32] S.C. Chatterjee et al. , J. Phys. D: Appl. Phys. 42(2009) 065001.
[33] P. Clot, D. Viallet, F. Allab, A. Kedous-Lebouc, J. M. Fournier, and J. P. Yonnet, IEEE Transactıons on Magnetıcs, 39 (2003) 3349.
28 IV. Ekler
a. Mali Bilanço ve Açıklamaları Manyetik Soğutucu Malzeme-Gd:
Manyetokalorik etkiye dayanarak soğutma işlemini gerçekleştiren, sistemin en temel parçasıdır.Sistemde AMR yatağı içinde 60gr Gd küre kullanılmıştır.
Kalıcı Mıknatıs:
Manyetik soğutucu sisteminde kalıcı manyetik alanı sağlayan ekipmandır. 1T gücünde kalıcı mıknatıs kullanılacaktır. Sisteme AMR yatağını içine alacak biçimde monte edilmiş ve motorlar tarafında hareket ettirilmiştir.
Isı ölçümü yapabilecek ısıl çiftler ve ısı ölçüm sistemi:
AMR yatağı içersinde ısıtma ve soğutma işleminin denetimini yapan birimdir. Projede 5 adet ısıl çift kullanılacaktır. Isıl çiftler AMR yatağına monte edilecek ve ölçüm sonuçları ısı ölçüm sistemi tarafından kaydedilecektir.
Kaydırıcı sistemler, raylar ve motorlar:
Tasarlanan sistemde motorlar, mıknatısın kaydırılması için kullanılacaktır. Kaydırıcı sistemler ve raylar, motorların dönme hareketini lineer harekete çevirecek ve mıknatısın hareketini sağlayacaklardır.
Step Sürücü:
Motorlara iletilecek olan hareket doğrultusu, hız, ivme gibi bilgileri, motorun işleyebileceği elektronik sinyallere çeviren birimdir.
Alüminyum destekler:
Manyetik soğutucu sisteminde hareketli ve hareketsiz parçaları birbirine bağlayan, parçaların konumunu sabit tutmak için kullanılan birimdir.
AMR yatağı:
Manyetik soğutucu sisteminde manyetik soğutucu malzeme ve akışkanın bir arda bulunduğu manyetik soğutma ve manyetik ısıtmanın bir arada bulunduğu birimdir. Projede üzerinde 5 adet ısıl çift için yuva bulunan 1 adet cam silindir kullanılacaktır.
Frekans ve Hız Kontrol Sistemi:
Sistemdeki AMR ve Mıknatısın çalışmasında görevli olan motorlara frekans ve hız kontrolü bilgisi yollayan birimdir.
29
d) Sunumlar (bildiriler ve teknik raporlar) (Altyapı Projeleri için uygulanmaz) Ankara Üniversitesi Rektörlüğünün 10.Kuruluş yılı etkinlikleri dâhilinde, projemizin sunumu yapıldı. Yapılan sunuma ait görsel şekil.20’te gösterilmiştir:
30
Şekil 20.Rektörlüğümüzün 10.kuruluş yıldönümünde sunulan poster.
